Твердое топливо (уголь)

Твердое топливо состоит из органических и минеральных со­ставляющих (табл. 19.3). Угольная зола может содержать 15— 21% А1203) 25—40% Si02, 20-45% Fe203, 1—5% СаО, 0,5— 1% MgO и 2—8% S03. Содержание хлоридов в обычных видах угля находится в пределах 0,01—0,1 %, а в угле повышенной зольности достигает 0,5%. Содержание фторидов доходит до 0,02%.

Таблица 19.3. Состав каменного угля и кокса

Компоненты

Каменный уголь, %

Кокс, %

Органические1:

Углерод С

60—92

80—90

Водород Н

1—5

0,4—2

Кислород О

2—14

Азот N

0,3—2

Минеральные:

0,5—4

Сера S

0,4—1

Зола

5—15

8—14

Влага

2—15

1-1,5

1 Называя С, Н и О принадлежащими органической части угля, мы прене­брегаем их присутствием в виде карбонатов и кристаллизационной воды в минеральной его части. (Прим. ред.)

В состав золы бурого угля входят 25—40% СаО, 3—10% А1203, 0,5—5% MgO и до 40% S03. Кроме минеральных состав­ляющих бурый уголь также содержит соли (хлориды и сульфа­ты) и летучие компоненты, например кристаллизационную воду в глинистых минералах, сульфатах (гипс) и солях, диоксид уг­лерода и триоксид серы в карбонатах и сульфатах.

Углерод, водород и сера представляют собой горючие компо­ненты; при горении они соединяются с кислородом воздуха и вы­деляют тепло. Чем выше доля горючих компонентов в топливе, тем больше тепла выделяется при его сгорании. При оценке то­плива отмечают только содержание углерода и водорода. Сера, хотя и горит, является нежелательным компонентом топлива, так как при ее сгорании образуется диоксид серы S02. При сое­динении последнего с водой получается сернистая кислота H2S03, которая вызывает коррозию металлических частей печи и при выделении в атмосферу с отходящими газами разрушаю­щим образом действует на живую природу. Сера, остающаяся в угольной золе, попадает в клинкер и снижает его качество. Од­нако необходимо отметить, что иногда полезно присутствие в топливе небольшого количества серы для сульфатирования ще­лочных оксидов. Возникающие при этом сульфаты щелочных металлов являются наиболее устойчивыми фазами, содержащи­ми серу; они покидают печь вместе с клинкером, снижая тем са­мым кругооборот щелочей в печном агрегате. Только избыток серы может приводить к значительным выделениям S02 из це­ментной печи [249]. Нежелательными составляющими топлива являются зола и влага, называемые топливным балластом. В процессе обжига зола почти полностью абсорбируется клин­кером. Поэтому при расчете химического состава сырьевой сме­си необходимо учитывать химию золы.

При сушке угля не следует забывать, что полностью высу­шенный уголь трудно воспламеняется. Как известно, углерод не реагирует непосредственно с атмосферным кислородом; сжига­ние до СО и С02 протекает по цепному механизму, при котором углерод вначале вступает в реакцию с более активным радика­лом ОН. Поэтому для воспламенения топлива требуется присут­ствие небольшого количества водяного пара. Следовательно, уголь нельзя пересушивать. Влажность размолотого угля 1 — 1,5% оптимальна для его воспламенения.

19.1.1. Летучие компоненты. Для классификации угля важ­ное значение имеет содержание в нем летучих компонентов. По­тери массы при дегазации угля без доступа воздуха представля­ют содержание летучих компонентов.

Угли молодых геологических формаций по сравнению с угля­ми более древних формаций содержат большее количество кис­лорода, водорода и азота, и в процессе горения эти элементы и их соединения выделяют больше летучих составляющих.

От содержания летучих компонентов зависит длина пламени при сжигании угля на колосниковой решетке. Угли с высоким содержанием летучих компонентов дают на колосниках длинный факел, и поэтому их называют длиннопламенными; угли с низ­ким содержанием летучих компонентов образуют короткий фа­кел и называются короткопламенными.

Однако свойства угля меняются при сжигании его в виде угольной пыли во вращающихся печах. Длиннопламенные уг­ли, подаваемые в виде пыли в горячую вращающуюся печь, рас­падаются с большой скоростью. Летучие компоненты газифици­руются и немедленно сгорают, а разделившиеся частицы кокса получают высокую пористость; это способствует интенсивному и полному доступу кислорода, что приводит к быстрому сгора­нию кокса. Рассмотренные особенности ускоряют процесс горе­ния, локализуя его на коротком участке вращающейся печи, благодаря чему образуется короткий факел.

Короткопламенные угли содержат мало летучих компонен­тов и при сжигании во вращающейся печи распадаются мед — .ленно. Вследствие низкого содержания летучих компонентов •они горят медленнее, на более длинном участке печи создают более плотный кокс. В результате так называемый короткопла — менный уголь при применении во вращающихся печах в виде угольной пыли образует длинный факел.

Оптимальное содержание летучих компонентов в угле при сжигании его в порошкообразном состоянии равно 18—22%. Од­нако, если подобрать соответствующую тонкость помола, мож­но успешно сжигать во вращающихся печах уголь с низким со­держанием летучих веществ.

19.1.2. Анализ угля. Для классификации угля применяют анализы двух видов:

А) приближенный анализ, который заключается в определе­нии количества влаги, летучих компонентов, углерода и золы; ■он предназначен для быстрой ориентировочной оценки;

Б) элементарный анализ, предназначенный для точного рас­чета процесса горения; он включает количественное определе­ние влаги, углерода, водорода, серы, кислорода, азота и золы.

19.1.3. Теплота сгорания. Важнейшим свойством топлива яв­ляется теплота сгорания, т. е. количество тепла, выделяемое 1 кг топлива (1 м3 газообразного топлива) при сжигании в печи. Те­плоту сгорания топлива измеряют исключительно с помощью калориметров: расчет теплоты сгорания по данным элементар­ного анализа позволяет получить только ориентировочное зна­чение.

Низшая теплота сгорания, стандартизуемая в европейской практике, учитывает потери тепла на испарение влаги, содержа­щейся в топливе, а также воды, образующейся при горении во­дорода. Это тепло может быть снова выделено при конденсации водяных паров в процессе охлаждения продуктов горения. Одна­ко, если температура отходящих газов печи превышает 100° С, теплота испарения (539 ккал/кг воды) не может быть использо­вана для работы печи. Если в топливе не содержатся влага и водород, то низшая теплота сгорания равна высшей, стандарти­зуемой в США. Для перехода от высшей теплоты сгорания Н0 к низшей Ни можно пользоваться следующей формулой:

Hu=H0-(VT+Fw)R,

Где Vw — количество воды, кг, выделяющееся при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газа; Fw — влага, кг, содержащаяся в 1 кг топлива; R — теплота испарения воды (539 ккал/кг при 100 °С).

Расчет теплоты сгорания (ккал/кг) угля, по данным элемен­тарного анализа, можно провести с помощью формулы Дю — лонга:

Твердое топливо (уголь)

Где С —углерод, %; S —сера, %; Н2 — водород, %; 02 — кислород, %; VJ — влага, %.

19.1.4. Теплота сгорания и расход тепла. Для обеспечения экономичной эксплуатации печей теплота сгорания должна составлять около 7000 ккал/кг. Уголь с более низкой теплотой сгорания повышает удельный расход тепла при обжиге клинке­ра и снижает удельную производительность вращающихся пе­чей [174, Ь, с].

19.1.5. Термохимические реакции и объем газов. При горе­нии С, Н и S протекают следующие термохимические реакции.

1. Реакция горения углерода

С + 02 = С02 + 97 600 кал,

Или

1 кг С + 2,666 кг 02 = 3,666 кг С02 + 8100 ккал.

При недостаточной подаче кислорода углерод сгорает с вы­делением моноксида углерода по уравнению

С + VA = СО,

Или

1 кг С + 1,33 кг 02 = 2,33 кг СО 4- 2400 ккал.

Таким образом, теплота сгорания снижается до 8100—2400== = 5700 ккал/кг С. Это указывает на необходимость избытка воз­духа для предотвращения неполноты сгорания топлива.

2. Реакция горения водорода

2Н2 + 02 = 2Н20,

Или

1 кг Н2 + 8 кг 02 = 9 кг Н20 + 2 8 641 ккал (Яу ).

При конденсации образующихся водяных паров выделяется Н0~33 492 ккал тепла.

3. Реакция горения серы

S + 02 = S02,

Или

1 кг S + 1 кг 02 = 2 кг S02 + 2210 ккал.

В интервале температур 400—1200° С 1—5% SO2 окисляется в S03:

S02 + V202 = S035

Или

1 кг S02-{-0,25кг 02= 1,25кг SO3.

Переход от единиц массы к объемам газов и наоборот может быть выполнен с помощью табл. 19.4.

19.1.6. Температура воспламенения угля. Температурой вос­пламенения называют температуру поверхности частиц топли­ва, при которой скорость реакции горения обеспечивает непре-

Таблица 19.4. Масса и объем газов во вращающихся печах (при 0° С и 760 мм вод. ст.)

Газ

Формула

Масса, г/л

Объем, л/г

Воздух

1,2928

0,7735

Моноксид углерода

Со

1,2504

0,7997

Диоксид углерода

Со2

1,9768

0,5059

Азот

N2

1,2507

0,7995

Кислород

02

1,4290

0,6998

Диоксид серы

So2

2,9266

0,3417

Водяной пар

Н20

0,8035

1,2444

Ср of-

1112 600

332 500

752 Ш

Ш 300

392 200

212 100

Г; С

32

Рис. 19.1. Зависимость темпера­туры воспламенения угольной пы­ли от тонкости помола

Рывное сжигание. Для достижения температуры воспламенения необходим определенный промежуток времени, называемый вре­менем воспламенения. Температуру и время воспламенения мо­жно регулировать, изменяя тонкость помола угля. На рис. 19.1 показана зависимость температуры воспламенения от тонкости помола угля. Верхний предел относится к антрациту, нижний — к так называемым газовым углям с высоким содержанием ле­тучих компонентов [171].

На диаграмме видно, что температура воспламенения уголь­ной пыли находится в пределах 200—550°С, а тонкость помола оказывает большее влияние на воспламенение угля, чем содер­жание летучих компонентов.

Твердое топливо (уголь)

ПШ

1

J

І

T

F

1

//

T

І

Ofi

03 02

0,02 0,03 03 05Дт

Рис. 19.2. Зависимость време­ни горения т от размера ча­стиц угольной пыли D

4 г 2

О зов ‘ те вква waaomsfcM2

N — 0,2 0,09 0,08 0,063 him n? 70 170 200 230 astm

Угольная пыль и воздух должны быть нагреты до темпера­туры воспламенения. При 20% избытка воздуха для его подо­грева требуется около 90% тепла, расходуемого на воспламене­ние; только 10% тепла затрачивается на подогрев угольной пыли.

19.1.7. Время горения. Чем быстрее отводятся продукты го­рения и замещаются свежим воздухом, тем быстрее сгорают ча­стицы угольной пыли. Чтобы выполнить эти условия, требуется высокий перепад скоростей воздуха и частиц угля. Процесс го­рения состоит из двух фаз: удаления летучих и сгорания твер­дых составляющих, т. е. кокса. На основе формулы, предложен­ной Гумцем [172], построена диаграмма времени горения частиц угольной пыли диаметром от 0,02 до 0,5 мм при темпера­туре горения от 900 до 1500° С (рис. 19.2).

19.1.8. Теплоотдача факела горения угля. Продукты горения топлива или газы факела отдают свое тепло в окружающую среду в основном путем излучения и только в малой степени — путем прямого контакта с обжигаемым материалом, т. е. конвек­цией.

Обычно только часть вращающейся печи (около 13% ее объ­ема) заполнена, поэтому значительная доля тепла переходит на футеровку печи и лишь небольшая часть — непосредственно на обжигаемый материал.

Закономерности излучения тепла твердыми частицами не мо­гут быть прямо перенесены на излучение факела. Излучение фа­кела занимает не весь возможный спектральный диапазон. Од­но — и двухатомные газы, такие, как азот и кислород, совершенно прозрачны в инфракрасном диапазоне, и их тепловое излуче­ние равно нулю. Следовательно, эти газы в факеле являются балластом. Газы с большим количеством атомов, например па­ры Н20, С02, S02, напротив, дают значительное тепловое излу­чение, так как их полосы поглощения расположены в инфракрас­ном диапазоне спектра. Например, С02 излучает в диапазоне волн следующих длин, мкм=10~6 м: А = 2,64—-2,84; 4,13—4,47 и 13,0—17,0. Водяной пар имеет пять полос поглощения с волна­ми следующих длин: ^=1,36; 1,85; 2,70; 5,90 и 19,60 мкм.

Зависимость излучения газов от абсолютной температуры Т также отличается от аналогичной зависимости для твердых тел. Для С02 излучение пропорционально Т3-5, для водяного пара — Т3, в то время как по закону Стефана—Больцмана для твердых тел оно пропорционально Т4.

Поэтому при прочих равных условиях интенсивность излуче­ния пылеугольного факела возрастает с увеличением: содержания С02 в газах факела; содержания Н20 в газах факела; содержания пыли, суспендированной в газах факела. Шак [173] разработал формулы для расчета количества те­пла, излучаемого С02 и Н20. Из них вытекают следующие тре­бования, направленные на улучшение теплоотдачи газов в зоне спекания:

Повышение температуры факела;

Повышение концентрации С02 и Н20-;

Повышение диаметра печей до максимальных пределов.

19.1.9. Продукты горения. График на рис. 19.3 показывает объем газов в м3, выделяющихся при сжигании 1 кг угля с теп­лотой сгорания от 5000 до 9000 ккал/кг при избытке воздуха 10%. График построен на основе данных анализа 30 сор­тов американского угля. Расчет температуры факела см. в разд. 19.2.

19.1.10. Подготовка угля. При подготовке и помоле угля не­обходимо принять меры по предотвращению взрыва угольной пыли. Взрыв происходит при наличии следующих факторов:

Взрывоопасная концентра­ция угольной пыли в газовой смеси;

Достаточное количество кислорода в газовой смеси;

Достаточная тепловая энер­гия.

Теоретически для предот­вращения взрыва угольной пыли достаточно исключить один из трех названных фак­торов. Однако на практике исключают два, а по возмож­ности, и все три фактора.

Концентрация угольной пы­ли. Для каменного угля взры­воопасный диапазон концент­раций лежит между 150 г (нижний предел) и 1500 г (верхний предел) на 1 м3 воз­духа при нормальных услови­ях. Эти пределы могут коле­баться в зависимости от со­держания летучих компонентов и тонкости помола угля. Тон­кость помола угольной пыли для указанных предельных значе­ний соответствует 10—15% остатка на сите 0,088 мм. Помольно — сушильные установки для подготовки угля эксплуатируются при концентрации угольной пыли, превышающей верхний взры­воопасный предел.

Кислород в газовой смеси. Концентрация кислорода в по — мольно-сушильных агрегатах не должна превышать 14%. Для снижения концентрации часть отходящих газов приходится ре — циркулировать. Опасные ситуации в отношении концентрации 02 иногда возникают при запуске установок. При снижении кон­центрации 02 повышается нижний и понижается верхний взры­воопасный предел концентрации пыли, что сужает взрывоопас­ный диапазон.

Твердое топливо (уголь)

Рис. 19.3. Зависимость объема про­дуктов горения 1 кг угля V (при 10% избытка воздуха) от его теп­лоты сгорания Ни

Достаточная тепловая энергия. Тепловая энергия, необходи­мая для начала взрыва, может происходить из трех источников:
самовозгорание угля; перегрев угля при сушке слишком горя­чими газами; перегрев деталей оборудования.

19.1.11. Сушка угля. Сушка угля, содержащего 15—40% вла­ги, обычно осуществляется в сушильных барабанах такого же типа, как и сушка сырьевых материалов. Температура горячих газов, поступающих в помольно-сушильную установку, не дол­жна превышать 350° С, поэтому сушка угля связана с более вы­соким удельным расходом тепла, чем сушка цементных сырье­вых материалов.

Температура газов, выходящих из сушильного барабана, должна составлять около 120° С, а температура высушенного угля — около 70° С.

Удельный паросъем при сушке угля в барабанах составляет 25—35 кг водяного пара на 1 м3 объема сушилки в 1 ч. Присуш­ке угля в сушильных бара­банах расход тепла прини­мают равным 1500 ккал/кг воды.

Сушка угля прекраща­ется при остаточной влаж­ности 1,0—1,5%.

19.1.12. Помол угля. Для помола угля применяют как роликовые (валковые), так и трубные мельницы. Тон­кость помола угля должна соответствовать 1,5—2,0% остатка на сите № 02 (900 ячеек на 1 см2, 200 мкм) и 15% остатка на сите № 009 (4900 ячеек на 1 см2, 88мкм). Как правило, чем короче вращающаяся печь, где сжигают уголь, тем тоньше его измельчают.

Расход энергии на помол угля находится в пределах 10— 30 кВт-ч/т. Рост влажности угля существенно снижает произ­водительность мельницы. Эта зависимость схематически пред­ставлена на рис. 19.4.

19.1.13. Способы работы угольных мельниц. В зависимости от расположения угольной мельницы по отношению к вращаю­щейся печи имеются два принципиально различных способа ра­боты.

Мельница прямого действия. Продукт такой мельницы пода­ют прямо во вращающуюся печь, и режим ее работы должен соответствовать режиму работы печи.

Твердое топливо (уголь)

Рис. 19.4. Зависимость удельного рас­хода электроэнергии Е на помол, кВт-ч/т, и производительности трубной мельницы Q от влажности угля W

Капитальные затраты на мельницу прямого действия при­мерно на 40% ниже, чем на аналогичную установку с подачей топлива в печь через промежуточный бункер.

Однако зависимость работы печи от мельницы прямого дей­ствия иногда является отрицательным фактором.

Такая мельница усложняет контроль за факелом горения то­плива. Водяной пар из угля вместе с высушенным углем вдува­ется прямо во вращающуюся печь, что снижает температуру факела. Считается, что каждый процент влаги угля снижает температуру факела на 10—14° С. Это уменьшает производи­тельность печи. Из практики известно, что повышение темпера­туры факела на 10° С соответствует увеличению производитель­ности печи не менее чем на 1%.

На рис. 19.5 показана технологическая схема мельницы пря­мого действия. На рис. 19.6 представлена аналогичная установ­ка с пневмотранспортом готового продукта шаровой мельницы,

Твердое топливо (уголь)

Рис. 19.5. Угольная мельница прямого действия

/ — валковая мельница; 2 — весовой ленточный питатель; 3—бункер исходного угля; 4 — регулятор тяги; 5 — дополнительный воздухонагреватель; 6—пылеотделитель; 7 — клинкерный холодильник; 8 — вращающаяся печь

Причем тепло для сушки поступает с горячего конца вращаю­щейся печи, оборудованной планетарным холодильником. Та­кая мельница обладает обычными недостатками мельницы пря­мого действия.

Эти недостатки могут быть ликвидированы при применении помольно-сушильной установки, показанной на рис. 19.7. Меж­ду циклонным пылеосадителем 6 и вентилятором первичного воздуха 8 на мессдозах давления устанавливается загрузочный бункер, емкость которого рассчитана на несколько часов рабо­ты установки. Мессдозами контролируют питание мельницы. Угольная пыль подается в печь с помощью шнекового питателя. Аспирационный воздух мельницы вдувается в печь в качестве первичного воздуха.

Центральная помольная установка с подачей топлива через бункер. Производительность центральной помольной установки значительно выше потребности печи в угле. Поэтому образует — — ся запас угольной пыли, благодаря чему центральным помоль­ным установкам иногда отдают предпочтение.

На рис. 19.8 схематически представлена центральная помоль­ная установка для угля.

Твердое топливо (уголь)

"Рис. 19.6. Угольная мельница прямого действия типа «Тиракс» фирмы «Смидт»

1 — бункер исходного угля; 2 — весовой ленточный питатель; 3— мельница с пневмо­транспортом готовою продукта (типа «Тиракс>); 4 — дополнительный воздухонагрева­тель; 5 — воздушный сепаратор; 6 — циклон; 7— циркуляционный вентилятор; 8 — вен­тилятор первичного воздуха; 9 — вращающаяся печь; 10 — планетарный холодильник (типа «Унакс»)

Твердое топливо (уголь)

‘Рис. 19.7. Помольная установка для угля фирмы «Смидт» с мельницей полу­прямого действия

,1 — бункер исходного угля; 2 — весовой ленточный питатель; 3 — мельница с пневмо­транспортом готового продукта (типа «Тиракс»); 4 — вспомогательный воздухонагрева­тель; 5 —воздушный сепаратор; 6— циклон; 7 — циркуляционный вентилятор; 8 — вен­тилятор первичного воздуха; 9 — вращающаяся печь; 10 — планетарный холодильник типа «.Уиако; (/ — загрузочный хоппер (буферный бункер)

На рис. 19.9 показана аналогичная центральная помольная установка с трубной мельницей типа «Тиракс» (фирма «Смидт») . Тепло для сушки здесь также поступает с горячего конца печи.

Мельницы, показанные на рис. 19.7—19.9, представляют со­бой шаровые мельницы с большими входными сечениями и пнев­мотранспортом готового продукта, позволяющие высушивать уголь с естественной влажностью до 20%.

Твердое топливо (уголь)

Кер исходного угля; 5 — вытяжной вентилятор; 6 — электрофильтр; 7 — дополнительный — воздухонагреватель; 8—циклон; 9—клинкерный холодильник; 10— вращающаяся печь; 11 — вентилятор первичного воздуха; 12 — регулятор тяги первичного воздуха; 13 — бун­кер молотого угля; 14 — ячейковый питатель; 15 — циклон

Твердое топливо (уголь)

Рис. 19.9. Центральная помольная установка для угля с шаровой мельницей’

Эти мельницы имеют одну сушильную и две помольные ка­меры и работают в замкнутом цикле с сепаратором. Для увели-

Таблица 19.5. Угольные мельницы (фирма «Смидт»)

Размеры мельняцы D X (L+ ТУ, м

Частота вращения, об/мин

Мощность двигателя, кВт

Стандартная производи­тельность, т/ч

Мелющая загрузка, т

TOC \o "1-3" \h \z 1,8 X (2,9+ 1,2) 22,6 75 4,2 7,7

1,8 X (3,4 + 1,6) 22,6 92 4,8 9,1

1,8 X (3,9 + 2,0) 22,6 110 5,6 10,6

"2,0 X (3,9 + 2,0) 21,6 132 7,3 12,6

2,2 X (3,9 + 2,0) 20,0 166 9,2 15,9

2,4 X (3,9 + 2,4) 19,8 221 12,0 19,2

■2,6 X (3,9 + 2,4) 18,6 258 14,2 21,8

2,8 X (3,9 + 2,4) 17,8 330 18,0 26,4

3,0 X (4,4 + 2,8) 17,2 405 22,2 31,8

3,2 X (4,4 + 2,8) 16,6 500 28,0 39,3

1 D—диаметр, L, Т — длина соответственно помольной и сушильной камеры.

Твердое топливо (уголь)

Твердое топливо (уголь)

Рис. 19.10. Сушильно-помольная установка для угля типа «Тиракс» (фирма «Смидт»)

Чения объема воздуха входной конец мельницы опирается на скользящий башмак, а выходная цапфа — на подшипник сколь­жения (рис. 19.10).

Фирма «Смидт» разработала стандартную серию помольно — сушильных агрегатов для помола 4—30 т сухого угля в 1 ч (табл. 19.5). Данные о производительности мельниц относятся к углю нормальной размалываемости при работе в замкнутом цикле с воздушным сепаратором. Крупность зерен загружаемо­го материала не должна превышать 15 мм при максимальной влажности до 10%. Помол производится до 12—15% остатка на сите 0,09 мм.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *